Lumineszenz
von lateinisch: lumen – Licht
Englisch: luminescence
Definition
Lumineszenz bezeichnet die Emission von Licht durch eine Substanz infolge eines angeregten elektronischen Zustands, ohne dass die Lichtemission primär durch hohe Temperatur verursacht wird. Die Energie zur Anregung kann aus verschiedenen physikalischen oder chemischen Prozessen stammen.
Lumineszenz wird daher auch als "kaltes Licht" bezeichnet.
Physikalische Grundlagen
Lumineszenz beruht auf elektronischen Übergängen in Atomen, Molekülen oder Festkörpern. Durch Energiezufuhr wird ein Elektron in einen angeregten Zustand überführt. Beim Übergang in einen energetisch niedrigeren Zustand wird ein Teil der Energie in Form eines Photons emittiert. Zwischen Anregung und Emission können sowohl strahlende als auch nicht-strahlende Relaxationsprozesse auftreten. Ein Teil der Energie kann beispielsweise durch Gitterschwingungen oder Molekülschwingungen verloren gehen. Dadurch besitzt das emittierte Licht häufig eine geringere Energie als die absorbierte Strahlung.
Einteilung
Lumineszenz kann nach der Art der Energieanregung unterschieden werden:
- Photolumineszenz: Anregung durch elektromagnetische Strahlung (Photonen). Dazu gehören:
- Fluoreszenz: unmittelbare Lichtemission während der Anregung
- Phosphoreszenz: verzögerte Lichtemission durch metastabile Zustände
- Radiolumineszenz: Anregung durch ionisierende Strahlung. Ein wichtiger Spezialfall ist die Szintillation, bei der hochenergetische Photonen oder Teilchen in einem Material kurze Lichtblitze erzeugen.
- Chemolumineszenz: Anregung durch chemische Reaktionen. Dabei wird die bei der Reaktion freiwerdende Energie teilweise als Licht emittiert.
- Biolumineszenz: Sonderform der Chemolumineszenz in biologischen Systemen, z.B. bei Leuchtkäfern oder bestimmten Meeresorganismen.
- Elektrolumineszenz: Anregung durch elektrische Energie, z.B. durch elektrische Felder oder Stromfluss in einem Material.
Medizin
Lumineszenz wird in verschiedenen diagnostischen und analytischen Verfahren genutzt, z.B.:
- Fluoreszenzmikroskopie
- Immunfluoreszenz
- lumineszenzbasierte molekularbiologische Nachweisverfahren
In der Strahlenphysik wird Lumineszenz zur Detektion ionisierender Strahlung genutzt. Materialien, die bei Absorption von Röntgen- oder Gammastrahlung Licht emittieren, werden als Szintillatoren bezeichnet. Das Lumineszenzprinzip wird u.a. eingesetzt in:
- Szintillationsdetektoren
- Gamma-Kameran
- Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
- Computertomographie-Detektoren
- Verstärkungsfolien
Dabei wird die Energie ionisierender Strahlung zunächst im Szintillator absorbiert und anschließend in sichtbares Licht umgewandelt, das von Photodetektoren registriert wird.